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第二节
原料药化学结构确证

原料药的化学结构确证研究是进行所有后续研究的前提条件,是保证药学研究、药理、毒理和临床研究能否顺利进行的决定性因素。目的是确认所制备原料药的结构是否正确。

一、原料药化学结构确证研究的要求

1.结构确证的一般过程

根据目标化合物的结构特征制订研究方案,制备符合结构确证研究要求的原料药样品(对照品),开展分析测试研究,综合分析相关实验结果,确证原料药的结构。

2.测试样品的要求

只有使用符合要求的测试品进行结构研究,才能获得正确的药物结构信息。通常应采用制备工艺中产品的精制方法对样品进行精制,并用质量标准中的方法测定其纯度和杂质,测试样品的纯度应大于99.0%,杂质含量应小于0.5%。

二、结构确证研究的分析测试方法

(一)元素分析

元素分析原理是将样品置于氧气流中燃烧,用氧化剂使其有机成分充分氧化,C、H、N、S和O元素定量地转化成与其相对应的挥发性氧化物,使这些产物流经色谱柱分离,用热导池检测器分别测定其浓度,用外标法确定每种元素的含量。

元素分析目的是测定有机化合物的元素组成,计算其分子式。元素分析可获得组成药物的CHNS/O元素种类及含量,经比较测试结果与理论结果差值的大小(要求误差≤0.3%),即可初步判定供试品与目标物的分子成分是否一致。

因药物自身结构特征而难以进行元素分析时,对高纯度样品,可采用高分辨质谱方法获得药物元素组成的相关信息。

(二)紫外可见吸收光谱

紫外可见吸收光谱是分子吸收一定能量的辐射能时,发生价电子能级之间的跃迁,而产生吸收光谱。

光谱中的峰、谷、肩峰及吸收光谱的形状是由物质的结构所决定的,是物质定性的重要依据,可推断分子的骨架、判断发色团之间的共轭关系和估计共轭体系中取代基的种类和数目。如果一个化合物在紫外区无吸收,则说明分子中不存在共轭体系。如果在210~250nm有强吸收,表示有K吸收带,则可能含有两个双键的共轭体系。如果在260~300nm有中强吸收(ε=200~1000),则表示有B带吸收,体系中可能有苯环存在。如果在250~300nm有弱吸收带(R吸收带),则可能含有简单的非共轭并含有n电子的生色基团。对于发色团上存在酸性或碱性基团的药物,通过在酸或碱溶液中(常用0.1mol/L HCl或0.1mol/L NaOH)最大吸收波长的测试,观察其蓝移或红移现象,可为酸性或碱性基团的存在提供进一步的支持。

紫外光谱鉴定有机化合物远不如红外光谱有效,因为很多化合物在紫外区没有吸收或只有微弱的吸收,并且紫外光谱比较简单,特征性不强。紫外光谱检验能用以检验含大的共轭体系或发色官能团的化合物,可作为其他鉴定方法的补充。

(三)红外吸收光谱

分子能选择性吸收某些波长的红外光,而引起分子中振动能级和转动能级的跃迁,检测红外光被吸收的情况可得到物质的红外吸收光谱。当用红外光照射有机物分子时,不同的化学键或官能团吸收频率不同,在红外光谱上处于不同位置,以此获得分子中所含化学键或官能团的信息。

对已知物的鉴定,可将样品的谱图与标准品测得的谱图,或者与文献上的标准谱图(例如药品红外光谱图集、Sadtler标准光谱、Sadtler商业光谱等)相对照,即可定性。使用文献上的谱图应当注意试样的物态、结晶形状、溶剂、测定条件以及所用仪器类型均应与标准谱图相同。

对未知物的鉴定:①如果未知物不是新化合物,标准光谱己有收载的,可利用标准光谱的谱带索引,寻找标准光谱中与样品光谱吸收带相同的谱图。②进行光谱解析,判断试样可能的结构。从特征区的最强谱带入手,推测未知物可能含有的基团,判断不可能含有的基团;用指纹区的谱带验证,找出可能含有基团的相关峰,用一组相关峰来确认一个基团的存在;对于简单化合物,确认几个基团之后,便可初步确定分子结构;再查对标准光谱核实。③对于新化合物,单靠红外光谱不能确证,需要与紫外光谱、质谱和核磁共振等分析手段互相配合,进行综合光谱解析,才能确定分子结构。

红外光谱有特征性高、分析时间短、样品用量少、不破坏试样等优点。随着商品化红外光谱仪的计算机化,出现了许多计算机辅助红外光谱识别方法,如谱图检索系统、专家系统、模式识别方法等,使本方法的应用更加便捷。

(四)核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)波谱

核磁共振波谱是以样品分子中不同化学环境磁性原子核的峰位(化学位移)为横坐标,以测得峰的相对强度为纵坐标(共振信号强度)所作的图谱。通过化学位移值( δ )、谱峰多重性、偶合常数值( J 值)、谱峰相对强度(积分面积)和在各种二维谱及多维谱中呈现的相关峰,提供分子中原子的连接方式、空间的相对取向等定性的结构信息。

核磁共振的主要应用是测定分子的结构。常用的有氢-1核磁共振( 1 H-NMR,简称氢谱)和碳-13核磁共振( 13 C-NMR,简称碳谱)等。溶剂峰或部分溶剂中的溶剂化水峰可能会对药物结构中部分信号有干扰,因此测试时应选择适宜的溶剂和方法,以使药物所有信号得到充分显示。

1.样品及溶剂

通常用于NMR测定的样品要求有较高的纯度,当杂质含量达到一定量(≥5%)时,就会影响图谱的解析。如有时无法区分样品峰和杂质峰,则会影响样品中氢核数目的计量等。样品浓度一般为5%~10%。

理想的溶剂应不含质子,沸点较低,呈化学惰性,与样品分子不发生缔合。氘代溶剂应用最为普遍,但在这些溶剂中总残留未氘代的含 1 H物质,在NMR谱上常可以看到由此而引起的残存信号(表3-2)。常用的溶剂有CDCl 3 、DMSO-d 6 、CD 3 COCD 3 、D 2 O等。

2.氢-1核磁共振( 1 H-NMR)谱

由于质子在NMR测定时具有最简单的核磁共振行为、最高的灵敏度、最丰富的分子结构信息,是NMR中研究最早的方法,积累的图谱、数据资料也最丰富。

氢-1核磁共振谱可提供样品结构中氢原子的数目、周围化学环境、相互间关系、空间排列等信息。此外,属于 1 H-NMR测试的核欧沃豪斯效应(nuclear Overhauser effect,NOE)或二维核欧沃豪斯效应谱(two-dimensional nuclear Overhauser effect spectroscopy,NOESY)试验,还可给出某些官能团在分子中位置、优势构象及构型。对含有活泼氢的药物必须进行氘代实验,以提供活泼氢的存在以及位置的信息。

表3-2 常见溶剂的化学位移值(与温度有关)

3.碳-13核磁共振( 13 C-NMR)谱

13 C-NMR可提供分子骨架结构信息,即分子结构中不同碳原子的类型以及所处的不同化学环境信息。与氢谱相比,碳谱的化学位移范围很宽, δ 可达220以上,远大于氢谱的化学位移范围( δ :0~20),因而在 13 C-NMR谱中,谱峰很少重叠,一般均可以分别观察到每一个不等价碳核的共振信号。

无畸变极化转移增强(distortionless enhancement by polarization transfer,DEPT)谱可进一步明确区分碳原子(伯碳CH 3 、仲碳CH 2 、叔碳CH和季碳C)的类型,对于结构复杂的药物,DEPT谱对结构解析可给予更加有力的支持。

4.二维核磁共振(2DNMR)谱

二维谱有直观、明快、可靠等特点,适用于解析复杂化合物的分子结构,其特征是将共振吸收信号分别在两个独立的频率坐标轴上展开,从而把化学位移、偶合常数等信号在平面上构成2D NMR平面图。

常用的二维核磁共振测试包括 1 H- 1 H相关谱(correlation spectroscopy,COSY),测定相邻氢相关;异核多量子相关谱(heteronuclear multiple quantum coherence spectroscopy,HMQC), 1 H- 13 C COSY相关谱,测定氢谱与碳谱的相关;异核多键相关谱(heteronuclear multiple bond connectivity,HMBC),远程 1 H- 13 C COSY相关谱,测定远程碳氢相关;全相关谱(total correlation spectroscopy,TOCSY),测定同一自旋体系中所有氢全相关;二维核欧沃豪斯效应谱(two-dimensional nuclear Overhauser effect spectroscopy,NOESY),测定 1 H- 1 H的核间奥氏效应(NOE效应);稀核双量子转移实验(incredible natural abundance double quantum transfer experiment,INADEQUATE)确定 13 C- 13 C连接。在对天然产物分子结构的确认、复杂化合物结构鉴定、多氮多手性药物分子结构鉴定等方面具有重要意义和实用价值。

5.NMR研究新进展

NMR已成为最常用、最有效的结构分析技术,应用范围涉及化学各分支学科。二维和多维NMR的创立使NMR研究领域扩展到分子生物学,出现了新的学科分支——生物核磁共振波谱学。高分辨NMR(900MHz以上)和低温探测计的进步提高了其灵敏度,新的方法如横向弛豫优化谱(transverse relaxation-optimized spectroscopy,TROSY)、残留偶极耦合(Residual Dipolar Coupling,RDC)等已经能够分析较大分子的结构。

(五)质谱(mass spectrum,MS)

质谱法是使待测化合物产生气态离子,然后按质荷比(m/z)对这些离子进行分离和检测的分析方法。质谱法测得的是离子强度(纵坐标)随质荷比(横坐标)而变化的信号。质谱法是检出灵敏度最高的方法,可提供分子量和结构的信息。

质谱表示一个化合物经离子化、裂解形成的一系列离子的质荷比与强度的分布图,重要参数有分子离子峰、准分子离子峰、碎片离子峰、同位素离子峰、基峰、丰度等。分子失去一个电子生成的离子称分子离子,相应的峰称分子离子峰,是确证药物分子式的有力证据,应根据药物自身结构特性选择适宜的离子源和强度,同时尽可能地获得分子离子峰和较多的、可反映出药物结构特征的碎片峰。

1.质谱测定化合物分子量

质谱可直接测得分子离子峰(或准分子离子峰)、同位素峰和碎片离子等峰的质荷比。化合物的分子离子峰的质荷比( z =1时)等于该化合物分子量,准分子离子质荷比扣去其加成离子、加成化合物(如基质、溶剂等分子)的质量即得化合物分子量。因此,只要鉴定出化合物质谱图中的分子离子峰或准分子离子峰,即可知道该化合物的分子量。

2.质谱测定化合物分子式

高分辨质谱可准确测定离子的精密质量,误差通常在10ppm以内。可以根据测得的精密质量,结合组成离子的各元素相应同位素的精密质量,经计算确定符合误差范围(一般小于10ppm)要求的可能的离子元素组成式,再通过特征分析(偏差、不饱和度、电荷状态、元素组成范围等)确定离子的正确元素组成。高分辨质谱是通过精确测定分子量确定药物分子式,但它不能反映药物的纯度和结晶水、结晶溶剂、残留溶剂等情况。

对于含天然同位素丰度较大的Cl、Br、S等杂原子的药物,其质谱的同位素峰的相对强度有显著特征,可以根据质谱图的同位素峰相对强度来鉴别这些元素的存在与否以及它们的个数。

3.色谱-质谱联用技术

质谱仪对纯度较高的化合物有很强的鉴定能力,但对复杂样品的分析比较困难,而色谱仪可以使复杂样品得到很好的分离,但定性能力较差,两者结合起来,为复杂样品的结构分析建立了一个简易、可靠的新方法。色谱仪可以看作是质谱仪的进样系统,质谱仪可以看作是色谱仪的检测器。

常用的色谱-质谱联用模式有:气相色谱-质谱联用,液相色谱-质谱联用,超临界流体色谱-质谱联用,毛细管电泳-质谱联用。在药物结构研究中,可以根据药物的组成和结构特征选择适宜的方法。

(六)X射线衍射法(X-ray diffractometry,XRD)

X射线衍射法(XRD)是一种利用单色X射线光束照射到被测样品上,检测样品的三维立体结构(含手性、晶型、结晶水或结晶溶剂)或成分(主成分及杂质成分、晶型种类及含量)的分析方法。化合物的晶体,无论是单晶还是多晶,都有它自己特定的X射线衍射图,可用作结晶物质的定性或定量分析。粉末衍射是用于结晶物质鉴别和纯度检查的常用技术,单晶衍射则主要用于分子量和晶体结构的测定。

1.粉末X射线衍射(powder X-ray diffractometry,PXRD)

其检测对象为众多随机取向的微小颗粒,它们可以是晶体或非晶体等固体样品。衍射图谱信息包括衍射峰数量、衍射峰位置(2 θ 值或 d 值)、衍射峰强度(相对强度,绝对强度)、衍射峰几何拓扑(不同衍射峰间的比例)等。此法可用于固态单一化合物的鉴别与晶型确定,晶态与非晶态物质的判断,多种化合物组成的多相(组分)体系中的物相(组分)分析(定性或定量),原料药晶型的稳定性研究等。

2.单晶X射线衍射(single crystal X-ray diffractometry,SXRD)

是基于单晶体与X射线所产生的衍射作用的研究所形成的一种系统的晶体结构分析方法,任务是解释晶体结构。

应注意单晶X射线衍射结构分析的对象仅为待测样品中的一颗晶体,样品缺少普遍性,需对药物样品进行粉末X射线衍射实验,用单晶结构数据计算该构型手性药物的理论粉末X射线衍射图谱,并与实验粉末X射线衍射图谱比较,当两者一致时即可证明衍射用单晶具有普遍性,从而确定手性药物的构型。

(七)热分析法

热分析法是在程序控制温度下,准确记录物质的理化性质随温度变化的关系,研究其在受热过程中所发生的晶型转化、熔融、蒸发、脱水等物理变化或热分解、氧化等化学变化以及伴随发生的温度、能量或重量改变的方法。

热分析法可广泛应用于物质的多晶型、物相转化、结晶水、结晶溶剂、热分解以及药物的纯度、相容性与稳定性等研究中。

1.热重分析

热重分析(thermogravimetric analysis,TGA)是在程序控制温度下,测量物质重量与温度关系的一种分析方法。记录的重量变化与温度或时间的关系曲线即热重曲线。可获得药物的吸附水/溶剂、结晶水/溶剂及初步的分解温度等信息,结合差热分析的结果,还可判断测试药物在熔融时的分解情况。

2.差热分析与差示扫描量热分析

在程序控制温度下,测定供试品和参比物之间温度差与温度(或时间)关系的技术称为差热分析(differential thermal analysis,DTA);测量输给供试品和参比物热量差(d Q /d T )与温度(或时间)关系的技术称为差示扫描量热分析(diff erential scanning calorimetry,DSC)。在两者的曲线上,随供试品不同而显示不同的吸热峰或放热峰。无定型态固体物质(或非晶态物质)可能没有明确的熔点或呈现宽熔距现象,其熔距宽度与物质的化学纯度或晶型纯度无关。

由两种或两种以上的化学物质共同形成的晶态物质称为共晶物。共晶物(通常为单吸热峰)与物理混合物(吸热峰数量通常与物理混合物中物质成分组成数量相关)的DTA曲线、DSC曲线存在差异。

(八)拉曼光谱法

拉曼光谱法研究化合物分子受光照射后所产生的非弹性散射,散射光与入射光能级差及化合物振动频率、转动频率间关系。与红外光谱类似,拉曼光谱是一种振动光谱技术。所不同的是,前者与分子振动时偶极矩变化相关,而拉曼效应则是分子极化率改变的结果。

用拉曼散射信号强度对拉曼位移作图得到拉曼光谱图。通常在拉曼光谱中出现的强谱带在红外光谱中却成为弱谱带甚至不出现,反之亦然,这两种光谱技术常互为补充。拉曼光谱有测量快速、准确,不破坏样品的优点,样品制备简单甚至不需样品制备。既适合于化学鉴别、结构分析和固体性质如晶型转变的快速和非破坏性检测,也能够用于假药检测和质量控制,如原料药活性成分、辅料的鉴别和定量。

三、综合解析

各种单一方法测试仅对化合物的结构研究提供分散的部分信息,需要通过综合解析对这些信息进行综合分析,才能得到目标物完整的结构。

对于新化合物,由于没有相关的文献和对照品,单一的信息往往不足以反映药物结构的完整信息,需对不同方法所得结果进行综合分析,才能准确的解析药物结构,包括绝对构型以及晶型、结晶水或结晶溶剂的情况。对原料药制备工艺(包括起始原料或中间体结构信息)的分析可为药物的结构确证提供间接的依据。

综合解析应遵循简明扼要、有机、合理、深入的原则。以简洁的语言给出不同方法对药物结构确证的结果,避免过多的基本理论解说和繁杂的推导;对不同方法所得的反映结构的信息进行综合归纳,以求获得药物较完整的结构信息;对数据进行合理的归属、解析,不牵强附会;在现有解析结果的基础上,根据相互间的关系,获得与药物结构有关的更深层次的信息,以求得对药物结构的完整认识。

四、药物的名称、结构式及理化性质

1.药物的命名

包括化学名称和通用名称。

(1)化学名称:

包括英文名称和中文名称,遵循国际纯粹与应用化学联合会(International Union of Pure and Applied Chemistry,IUPAC)规则制定。

(2)通用名称:

通用名称应尽可能地参照国际非专利药名(INN)确定,对INN未报道的新品种,可自行命名,但应符合INN对药品名称的命名原则,对于结构与已收载品种结构类似、作用机制相同的,一般使用相同的通用名称的后缀。通用名也包括英文名称和中文名称,二者一般采用音译原则互译。

申请人应当按照《药品注册管理办法》的规定,在提出药品上市许可申请时同时提出通用名称核准申请,并提交相关资料。药品审评中心在药品上市许可申请受理后及时将通用名称核准相关资料转国家药典委员会,由国家药典委员会进行核准。

2.化学结构

对于合成、半合成化学药物以及来源于天然物的单体分子需提供结构式、分子式和分子量。

对于存在异构体、含有结晶水或溶剂、手性中心、络合离子、酸根和碱基的药物,应在结构式中注明其异构的形式、手性中心的绝对构型、络合位置/方式、酸根/碱基和结晶水或溶剂的位置。

3.理化性质

物理常数是反映药物物理性质的重要数据。一般包括熔点、沸点、沸程、凝点、折光率、黏度、相对密度、溶解度、比旋度、紫外吸收系数、pH、p K a 等。

五、注意事项

1.手性药物的结构确证

手性药物的结构确证在上述一般研究的基础上,还要确证其绝对构型。常用方法有单晶X射线衍射(XRSD)、核磁共振谱、圆二色谱(CD spectrum)、旋光色散(ORD)以及前述的NOESY或NOE谱等。

2.药物晶型的研究

多晶型现象是普遍存在的,有些药物不同晶型的生物利用度差别很大,进而影响疗效及毒性,这点对口服固体药物尤为重要。对于仿制的原料药,最终晶型与原研药一致,但新结构药物,则要对晶型进行多样性充分研究,结合各晶型的主要理化性质、药理活性等,明确最终药用产品的晶型。晶型测定方法有粉末X射线衍射、热分析、红外光谱、拉曼光谱、熔点、光学显微镜法等。

3.药物结晶水或结晶溶剂的分析

对于含有结晶水或结晶溶剂的药物,应对药物中的水分/溶剂进行分析。常用分析方法为热重分析、差热分析、干燥失重、水分测定、核磁共振以及单晶X射线衍射(XRSD)。

4.其他具有特殊结构的药物的结构确证

结构中含有金属离子以及F、P等元素的药物,可进行相应金属原子吸收以及F、P等元素的测定。

原子发射光谱法(atomic emission spectrometry,AES)和原子吸收分光光度法(AAS),可用于药物中无机微量元素的含量分析。AES常用于金属元素的定性研究,AAS可用于定量研究。分子中含有顺磁性金属离子的药物,常用的核磁共振方法不能得到金属离子在药物分子中存在方式的确切信息,可采用单晶X射线衍射等方法进行检测。 BHrtM6i2SRK+7ulhrIq1F3vJpH5HnyLydyBc7igT51JLtwXW9hLdamX1IlUnz3sa

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